В.П. Бусыгин1, Л.Д. Добровольская2, И.Ю. Кузьмина3, А.Н. Плешанов4, А.А. Чубыкин5

1-5 АО «НПК «Системы прецизионного приборостроения» (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Существенным недостатком используемых лазерных измерительно-связных систем является зависимость эффективности их применения от метеоусловий, в частности, от наличия облаков. Однако в отдельных экспериментах, проведенных в АО «НПК «СПП», удалось осуществить прием лазерных импульсов на борту космического аппарата (КА) в условиях облачности. Возможность функционирования лазерных станций при наличии определенных форм слоистых облаков между наземным пунктом и КА требует научного подтверждения.

Цель. Оценить возможность функционирования беззапросной квантово-оптической системы в условиях присутствия определенных типов и форм облачности, допускающих прием и определение параметров лазерных импульсов, с целью повышения ее технологической производительности.

Результаты. Разработаны математические модели атмосферы для лазерной длины волны 0,532 мкм, включающие в себя оптические характеристики кристаллической среды для агрегатных структур ледяных частиц. Выполнены расчеты переноса оптического излучения субнаносекундных лазерных импульсов наземных станций на высокоорбитальные и низкоорбитальные КА при наличии кристаллических облаков верхнего и среднего ярусов. Показано, что принципы беззапросной лазерной дальнометрии могут быть реализованы при наличии на небосводе фронтальных перистых, перисто-слоистых и перисто-кучевых облаков, а также высокослоистых облаков с установленными ограничениями по оптической толщине.

Практическая значимость. Представленные результаты подтверждают возможность повышения технологической производительности систем высокоточной спутниковой дальнометрии, так как повторяемость рассматриваемых форм облаков над территорией РФ составляет около 20%.

Бусыгин В.П., Добровольская Л.В., Кузьмина И.Ю., Плешанов А.Н., Чубыкин А.А. Пропускание лазерного излучения кристаллическими облаками // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 4. С. 36−51. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202304-06

1. Садовников М.А., Сумерин В.В., Шаргородский В.Д. Односторонняя лазерная дальнометрия и ее применение в задачах повышения точности частотно-временного обеспечения ГЛОНАСС // International Technical Workshop WPLTN-2012. Санкт-Петербург. Россия. 2012.
2. Жабин А.С., Набокин П.И. Методы достижения субнаносекундной точности измерений интервалов времени в бортовом терминале односторонней лазерной дальномерной системы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2013. Т. 18. С. 39–42.
3. Мак-Картни. Э. Оптика атмосферы. М.: Мир. 1979. 422 с.
4. A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computation // World Climate Research Program (WSP). WSP-112. WMO/TD. 1986. № 24. 60 p.
5. Kneizys F.X., Robertson D.S., Abreu L.W., Acharya P., Anderson G.P., Rothman L.S., Chetwynd J.H., Selby J.E.A., Shetle E.P., Gallery W.O., Berk A., Clough S.A., Bernstein L.S. The MODTRAN 2/3 report and LOWTRAN 7 model Phillips Laboratory. Geophysics Directorate. 1996. 260 p.
6. Ansmann A., Tesche M., Groß S., Freudenthaler V., Seifert P., HiebschA., Schmidt J. The 16 April 2010 major volcanic ash plume over central Europe: EARLINET lidar and AERONET photometer observations at Leipzig and Munich, Germany // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. P. 13810.
7. Gérard B., Déuze J. L., Herman M., Kaufman Y. J., Lallart P., Oudard C., Remer, B. Roger L. A., Six B., Tanré D. Comparisons between POLDER 2 and MODIS/Terra aerosol retrievals over ocean // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. P. 24211.
8. Meeting of JSC experts on aerosols and climate. World Climate Research Program (WCP). 1981. 12 p.
9. Hess M., Koepke P., Schult I. Optical Properties of Aerosols and Clouds: The Software Package OPAC // Article in Bulletin of the American Meteorological Society. 1998. V. 79. P. 831–844.
10. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптические модели атмосферного аэрозоля. Томск: Изд-во СО АН СССР. 1986. 294 с.
11. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир. 1971. 166 с.
12. Зверев А.С. Синоптическая метеорология. Л.: Гидрометеоиздат. 1977. 712 с.
13. Облака и облачная атмосфера. Справочник / Под ред. И.П. Мазина и А.Х. Хргиана. Л.: Гидрометеоиздат. 1989. 648 с.
14. Лазерный контроль атмосферы / Под ред. Э.Д. Хинкли. М.: Мир. 1979. 416 с.
15. Волковицкий О.А., Павлова Л.Н., Петрушин А.Г. Оптические свойства кристаллических облаков. Л.: Гидрометеоиздат. 1984. 200 с.
16. Фейгельсон Е.М. Лучистый теплообмен и облака. Л.: Гидрометеоиздат. 1970. 230 с.
17. Руководство по приборам и методам наблюдений. ВМО. 2018.
18. Baum B.A., Kratz D.P., Yang P. Remote sensing of cloud properties using MODIS airborne simulator imagery during SUCCESS 1. Data and models // J. Geophys. 2000. V. 105. P. 11767–11780.
19. Konoshonkin A.V., Borovoi A.G., Kustova N.V., Okamoto H., Förstner J. Light scattering by ice crystals of cirrus clouds: from exact numerical methods to physical- optics approximation // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 195. P. 132–140.
20. Кравец Л.В., Маринушкин В.Н., Смирнов Н.Д. Исследование характеристик перистой облачности наземным лидаром // В сб. «Радиационные свойства перистых облаков» / Под ред. Е.М. Фейгельсон. М.: Наука. 1989. 223 c.
21. Yang P., Gao B.-C., Baum B.A., Wiscombe W., Hu Y., Nasiri S.L. Sensitivity of cirrus bidirectional reflectance in MODIS bands to vertical inhomogeneity of ice crystal habits and size distributions // J. Geophys. 2001. V. 106. P. 17267–17291.
22. Platnick S., King M.D., Ackerman S., Menzel W.P., Baum B.A., Riedi J., et al. The MODIS cloud products: algorithms and examples from Terra // IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2003. V. 4. P. 459–473.
23. Winker D.M., Couch R.H., McCormick M.P. An overview of LITE: NASA's Lidar­in­space Technology Experiment I // Proc. IEEE. 1996. V. 84. P. 164–180.
24. Winker D.M., Pelon J., McCormick M.P. The CALIPSO mission: Spaceborne lidar for observation of aerosols and clouds // Proc. SPIE. 2003. V. 4893. P. 1–11.
25. Baran A. On the remote sensing and radiative properties of cirrus. All content following this page was uploaded by Anthony J. Baran on 17 May 2014. Р. 59–95.
26. Yang P., Bi L, Baum B.A., Liou K.N., Kattawar G.W., Mishchenko M.I., Cole B. Spectrally Consistent Scattering, Absorption, and Polarization Properties of Atmospheric Ice Crystals at Wavelengths from 0.2 to 100 pm // J. Atmos. Sci. 2013. V. 70. P. 330–347.
27. Baran, A., Havemann S. The dependence of retrieved cirrus ice-crystal effective dimension on assumed ice crystal geometry and size-distribution function at solar wavelengths // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2004. V. 130. P. 2153–2167.
28. Baum B., Yang Р., Heymsfield A., Bansemer А., Cole В., Merrelli А., Schmitt С., Wang Chenxi. Ice cloud single-scattering property models with the full phase matrix at wavelengths from 0.2 to 100 mm // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. 2014. V. 146. Р. 123–139.
29. Петрушин А.Г. Интенсивность излучения, рассеянного под малыми углами ориентированными ледяными кристаллами // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1987. Т. 23. № 5. С. 546–548.
30. Журавлева Т.Б. Имитационное моделирование полей яркости солнечной радиации в присутствии оптически анизотропной кристаллической облачности: алгоритм и результаты тестирования // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 12. P. 937–943.
31. Токарев И.А., Рыбин И.А., Бусыгин В.П. и др. Характеристики оптического излучения болидов в условиях облачности // Инженерная физика. 2020. № 7. С. 3–15.
32. Бусыгин В.П., Краснокутская Л.Д., Кузьмина И.Ю. Перенос оптического излучения подоблачных молний в космос // Известия РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 2019. Т. 55. № 5. С. 85–93.
33. Бусыгин В.П., Ковалевская О.И., Кузьмина И.Ю., Черненко А.Е. Функции распределения коэффициента прозрачности атмосферы при наблюдении оптических импульсов из космоса // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2018. № 2. С. 11-17.